豬舍溫濕環(huán)境智能控制系統(tǒng)

1、豬舍溫濕環(huán)境智能控制系統(tǒng)第一章 概述 智能溫室也稱作自動(dòng)化溫室，是指配備了由計(jì)算機(jī)控制的可移動(dòng)天窗、遮陽(yáng)系統(tǒng)、保溫、濕窗簾/風(fēng)扇降溫系統(tǒng)、噴滴灌系統(tǒng)或滴灌系統(tǒng)、移動(dòng)苗床等自動(dòng)化設(shè)施，基于農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境的高科技“智能”溫室。智能溫室的控制一般由信號(hào)采集系統(tǒng)、中心計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)三大部分組成。豬舍溫濕環(huán)境智能控制系統(tǒng)是近年來逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型高效設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)，它是在普通日光溫室的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)自控技術(shù)、智能傳感技術(shù)等高科技手段發(fā)展起來的。自上世紀(jì)90年代以來，我國(guó)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)溫室溫度、濕度、C02濃度和光照等環(huán)境因子控制技術(shù)的研究，

2、研制開發(fā)了我國(guó)自己的豬舍溫濕環(huán)境智能控制系統(tǒng)。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1溫室環(huán)境特點(diǎn)溫室氣候環(huán)境作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，有以下特點(diǎn)：1、非線性。溫室內(nèi)部的氣候處于熱平衡混沌狀態(tài)。大量隨機(jī)的、不確定性因素使得對(duì)其精確建模比較困難。2、分布參數(shù)。由于溫室面積比較大，造成溫室內(nèi)部各個(gè)物理量的分布是不均勻的。比如溫度，溫室內(nèi)部各點(diǎn)溫度都不一樣，四周一般都比中間的低，項(xiàng)部和底部也有一定差別，其值的大小依賴于空間位置和氣流的方向等各種因素，在溫室中的氣候分布是緩慢變化的。3、時(shí)變。作物在生長(zhǎng)周期的不同階段，其光合作用能力、吸熱散熱能力等均有所差別。因而，溫室系統(tǒng)是一個(gè)參數(shù)隨著時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。4、

3、時(shí)延。對(duì)于外界所施加的作用，溫室系統(tǒng)并不立即響應(yīng)，而是經(jīng)過一段時(shí)間的延遲才有反應(yīng)。比如，在溫室加熱系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)加熱升溫，熱量傳到溫室的各個(gè)部分需要經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間的延遲，溫度才會(huì)有所提高。5、多變量藕合系統(tǒng)。溫室系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)各變量之間并不是互相獨(dú)立，各個(gè)子系統(tǒng)的控制回路彼此禍合在一起。對(duì)系統(tǒng)任一目標(biāo)的控制，都會(huì)影響其它目標(biāo)的變化。綜上所述，溫室環(huán)境系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，建立精確的控制模型很難實(shí)現(xiàn)。由于作物對(duì)環(huán)境各氣候因子的要求并不是特別的精確，而是一個(gè)模糊區(qū)間，比如作物對(duì)溫度的要求，只要溫度在某一時(shí)間段在某一區(qū)間內(nèi)，該作物就能很好地生長(zhǎng)，因此，也沒有必要將各種參數(shù)進(jìn)行精確

4、控制。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路2.2.1 系統(tǒng)分析本系統(tǒng)可以模擬基本的生態(tài)環(huán)境因子溫度、光照、水分、CO2等，以適應(yīng)不同的生物生長(zhǎng)繁育的需要，它由相關(guān)的智能控制單元組成，按照事先設(shè)定的程序，精確測(cè)量溫室氣候和土壤參數(shù)，并啟動(dòng)或關(guān)閉不用的電動(dòng)外圍設(shè)備，程序所需的參數(shù)通過傳感器采集所得。2.2.2系統(tǒng)的特點(diǎn)1、預(yù)測(cè)性：通過對(duì)氣候參數(shù)的分析，可以預(yù)測(cè)控制設(shè)備的運(yùn)行情況，提高設(shè)備的利用率，降低能耗。2、強(qiáng)大的擴(kuò)展功能：通過控制不同的外圍設(shè)備，可以控制環(huán)境及灌溉、施肥等。3、完善的資料處理功能：通過中央控制軟件，可以不間斷的記錄各種傳感器的信息以及各種控制設(shè)備的動(dòng)作記錄等。4、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能：即工作人員不在

5、現(xiàn)場(chǎng)，也可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)溫室內(nèi)的設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和控制。2.2.3 系統(tǒng)的工作原理本系統(tǒng)是利用PLC把傳感器采集的有關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并把這些數(shù)據(jù)暫存起來，與給定值進(jìn)行比較，經(jīng)一定的控制算法后，給出相應(yīng)的控制信號(hào)進(jìn)行控制。系統(tǒng)還可以經(jīng)過串行通信接口將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，從未完成數(shù)據(jù)管理、智能決策、歷史資料統(tǒng)計(jì)分析等更為強(qiáng)大的功能，閉關(guān)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、編輯、存儲(chǔ)及打印輸出。傳感器將溫度、濕度等轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。經(jīng)過運(yùn)算放大器組成的信號(hào)處理電路換成壓平轉(zhuǎn)化器（V/F）需要的電壓信號(hào)。系統(tǒng)工作時(shí)，PLC通過傳感器來測(cè)量溫室內(nèi)的相應(yīng)數(shù)據(jù)并于設(shè)定值比較，如果溫室內(nèi)的環(huán)境超過了設(shè)定的范圍上下限

6、值，PLC就輸出指令，控制接通相應(yīng)的設(shè)備。當(dāng)溫室環(huán)境條件在設(shè)定范圍內(nèi)，PLC就輸出指令，切斷設(shè)備電源。如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)的工作原理圖2.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.3.1 系統(tǒng)的組成豬舍溫濕環(huán)境智能控制系統(tǒng)主要由自動(dòng)控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、遮陽(yáng)系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、自動(dòng)噴灌系統(tǒng)等五個(gè)部分組成，如圖2-2所示圖2-2豬舍溫濕環(huán)境智能控制系統(tǒng)組成2.3.2 系統(tǒng)的硬件接線圖本系統(tǒng)由上位機(jī)PC機(jī)，PLC可編程控制其，各類傳感器，PLC擴(kuò)展模塊，驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行部分等組成。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中用到電感性負(fù)載，因此電路中設(shè)計(jì)了電容和電阻串聯(lián)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)或斷開電源的時(shí)候由于電動(dòng)機(jī)會(huì)突然斷電或試點(diǎn)，線圈會(huì)產(chǎn)生

7、很大的感應(yīng)電流。會(huì)對(duì)電路中的電機(jī)產(chǎn)生大的危害。系統(tǒng)具體硬件接線圖如圖2.3.2所示。圖2.2.2 豬舍溫濕環(huán)境智能控制系統(tǒng)硬件接線圖2.3.3 PLC的選擇標(biāo)準(zhǔn)1.PLC機(jī)型的選擇：（1）PLC在工業(yè)控制中應(yīng)用多年，屬于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，其在生產(chǎn)、調(diào)試、應(yīng)用、服務(wù)等方面都有一套完備的標(biāo)準(zhǔn)，所以產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高，但是考慮到穩(wěn)定性、可維護(hù)性等因素，采用PLC比單片機(jī)具有較高的性價(jià)比。（2）PLC的選擇主要應(yīng)從PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊等方面綜合考慮。PLC機(jī)型的選擇基本原則是再滿足功要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭(zhēng)最佳的性價(jià)比。2.3.3 本系統(tǒng)PLC的選擇

8、1、I/O點(diǎn)數(shù)的估計(jì) 根據(jù)實(shí)際情況對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估計(jì)，具體點(diǎn)數(shù)估計(jì)如表2.2.3a所示表2.2.3a I/O點(diǎn)數(shù)的估計(jì)2、輸入量與輸出量的I/O地址分配輸入量與輸出量的I/O地址分配如表2.2.3b所示表2.2.3b 輸入量與輸出量的I/O地址分配3、擴(kuò)展模塊的選擇 因?yàn)镾7-224集成了14輸入/10輸出，他最多可以有7個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力。由于溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度均為模擬量，所以選EM231模塊作為模擬量輸入模塊。2.4 系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)如圖2.4所示：圖2.4 主電路設(shè)計(jì)圖2.5 控制電路原理圖如圖2.5所示：圖2.5 控制電路原理圖第

9、三章 豬舍溫濕環(huán)境智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真3.1 豬舍溫濕環(huán)境智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.1 它的功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。3.1.2 程序設(shè)計(jì)按下啟動(dòng)按鈕，PLC卡是掃描，溫度傳感器將溫室溫度測(cè)量值信號(hào)送到PLC中，PLC再將信號(hào)值處理，在于設(shè)定值進(jìn)行比較，最后將得到的結(jié)果輸出，如果比較結(jié)果高于設(shè)定值，則控制打開通風(fēng)窗或風(fēng)機(jī)，比較結(jié)果等于設(shè)定結(jié)果等于低于設(shè)定值，則打開供熱設(shè)備。假設(shè)風(fēng)機(jī)，供熱設(shè)備，傳感器出現(xiàn)故障的時(shí)候就發(fā)出聲光報(bào)警?？諝鉂穸葌鞲衅鲗z測(cè)的溫室是瀆職送到PLC中，PLC將檢測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果空氣溫度高與設(shè)定值，則控制打開窗子且打

10、開風(fēng)機(jī)進(jìn)行去濕，如果測(cè)量值等于設(shè)定值，則關(guān)閉窗子和風(fēng)機(jī)；如果測(cè)量值低于主設(shè)定值，則發(fā)出指令控制打開空氣濕度電磁閥，對(duì)空氣進(jìn)行噴霧。土壤濕度傳感器檢測(cè)的值首先送到PLC中，有PLC將其與設(shè)定值相比較，如果測(cè)量值高與設(shè)定值，則由PLC發(fā)出控制關(guān)閉控制土壤濕度的電磁閥；如果電磁閥發(fā)生故障則會(huì)發(fā)出聲光警報(bào)。光照傳感器將溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度測(cè)量值送到PLC中，由PLC將其與設(shè)定的光照強(qiáng)度進(jìn)行比較，再將其比較結(jié)果送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中去，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)作，如果測(cè)量值高于設(shè)定值則控制關(guān)閉不光設(shè)備，同時(shí)拉上遮陽(yáng)簾；如果則兩只等于設(shè)定值，則關(guān)閉不光設(shè)備；如果測(cè)量值地與設(shè)定值，那么則發(fā)出指令打開補(bǔ)光設(shè)備，同時(shí)打開遮陽(yáng)簾。在這個(gè)過

11、程中，如果遮陽(yáng)簾電機(jī)，不光設(shè)備出現(xiàn)故障則出現(xiàn)聲光警報(bào)。圖3.1.2a 主控模塊流程圖1、 溫度控制當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，由溫度傳感器將溫室內(nèi)的溫度測(cè)量參數(shù)傳給PLC，再由PLC將其檢測(cè)結(jié)果與事先設(shè)定好的溫度進(jìn)行對(duì)比，如果測(cè)量值等于設(shè)定值則保持原來的溫室溫度；如果測(cè)量值與設(shè)定值不等，在判斷大于還是小于，當(dāng)測(cè)量值大與設(shè)定值，則打開通風(fēng)簾，當(dāng)測(cè)量值小于設(shè)定值時(shí)，則打開供熱系統(tǒng)。當(dāng)測(cè)量溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)就會(huì)關(guān)閉供熱系統(tǒng)或通風(fēng)簾。其工作流程圖如圖3.1.2b所示圖3.1.2b 溫控子模塊流程圖2、 濕度控制 系統(tǒng)開始工作，濕度傳感器考試對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行檢測(cè)。土壤濕度傳感器，土壤濕度傳感器將測(cè)量結(jié)果送到PLC中心后，PLC將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行較，如果測(cè)量值等于或大與設(shè)定值，則關(guān)閉噴灌電磁閥；當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)。則打開噴灌電磁閥。其工作流程圖如圖3.1.2c所示圖3.1.2c 濕控子模塊流程圖3、 光照控制系統(tǒng)啟動(dòng)，光照傳感開始工作，將溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度測(cè)量值參數(shù)傳給PLC，由PLC將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷測(cè)量值是否等于設(shè)定值，如果等于，則保持室內(nèi)光照強(qiáng)度；如果測(cè)量值與設(shè)定值不等，在判斷大于還是小于，當(dāng)測(cè)量值大與設(shè)定值，則關(guān)閉遮陽(yáng)簾，當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)，則打開補(bǔ)光設(shè)備。其工作流程圖如圖3.1.2d所示圖3.1.2d 光控子模塊流